Механические стимулы активируют экспрессию генов через путь восприятия стресса клеточной оболочки.

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 13979 (2023) Цитировать эту статью

1548 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Механочувствительные механизмы часто используются для определения повреждения структуры ткани, стимулирования синтеза и восстановления матрикса. Хотя этот вид механорегуляторного процесса хорошо известен в эукариотических системах, неизвестно, происходит ли такой процесс у бактерий. У Vibrio cholerae повреждение несущей клеточной стенки, вызванное антибиотиками, способствует усилению передачи сигналов двухкомпонентной системой VxrAB, которая стимулирует синтез клеточной стенки. Здесь мы показываем, что изменений механического стресса внутри клеточной оболочки достаточно, чтобы стимулировать передачу сигналов VxrAB в отсутствие антибиотиков. Мы применили механические силы к отдельным бактериям, используя три различных способа загрузки: экструзионную нагрузку внутри микрофлюидного устройства, прямое сжатие и гидростатическое давление. Во всех случаях передача сигналов VxrAB, как указано с помощью репортера флуоресцентного белка, была увеличена в клетках, подвергшихся большей механической нагрузке, следовательно, различные формы механических стимулов активируют передачу сигналов VxrAB. Снижение жесткости клеточной оболочки после удаления эндопептидазы ShyA привело к значительному увеличению деформации клеточной оболочки и существенному увеличению ответа VxrAB, что еще больше поддержало отзывчивость VxrAB. Наши результаты демонстрируют механочувствительную систему регуляции генов у бактерий и позволяют предположить, что механические сигналы могут способствовать регуляции гомеостаза клеточной стенки.

Механические силы уже давно признаны ключевыми факторами роста и функционирования организмов. В системах млекопитающих механические силы регулируют широкий спектр процессов, включая дифференцировку клеток во время развития1,2, начало и прогрессирование заболевания3, а также тканевый гомеостаз4. В тканях и органах с несущими функциями механические силы часто действуют как основной сигнал, который инициирует ремоделирование и восстановление тканей, тем самым позволяя тканям адаптироваться к механическим воздействиям окружающей среды и быстро вернуться к несущей нагрузке. Таким образом, ремоделирование тканей поддерживает гомеостаз механической функции, балансируя удаление поврежденной ткани с синтезом ткани. Структуры, несущие нагрузку, включая кости5, кровеносные сосуды6 и цитоскелет растений7,8, используют механочувствительные механизмы для поддержания механических функций.

Большинство исследований механобиологии сосредоточено на эукариотических системах9, хотя недавние данные подчеркнули важность механических сил у прокариот. У бактерий внеклеточные придатки, включая жгутики и пили IV типа, отходят от тела клетки, чтобы воспринимать механические сигналы из окружающей среды и реагировать на них. Сборка и разборка жгутикового двигательного блока реагирует на увеличение и уменьшение внешней механической нагрузки10,11. Физическое ингибирование вращения жгутиков при контакте с поверхностью генерирует силы реакции внутри молекулярного мотора, которые стимулируют поверхностную адгезию и образование биопленок12,13. Пили IV типа — это моторизованные волокна, которые расширяются и втягиваются для взаимодействия с окружающей средой. Кроме того, механочувствительность пилей IV типа способствует образованию биопленок14 и высвобождению факторов вирулентности15, а также регулирует подвижность после столкновений16.

Клеточная оболочка является основным компонентом бактерий, несущим нагрузку, а также чувствительна к механическим воздействиям. Ионные каналы, активируемые растяжением внутри клеточной мембраны, быстро реагируют на изменения осмолярности, открываясь вследствие растяжения мембраны, что приводит к увеличению выживаемости после гипоосмотического шока17. Механический стресс и напряжение внутри клеточной оболочки также влияют на сборку трансоболочковых эффлюксных комплексов; например, сборка и функционирование трансконвертного многокомпонентного эффлюксного насоса CusCBA нарушаются из-за увеличения октаэдрического напряжения сдвига внутри клеточной оболочки18. Механический стресс внутри клеточной оболочки также влияет на места прикрепления новой клеточной стенки у бактерий, подвергающихся изгибу, при этом большее количество клеточной стенки вставляется в области большей растягивающей деформации19,20. Хотя эти механочувствительные механизмы внутри клеточной оболочки хорошо известны, ни один из выявленных на сегодняшний день механизмов не регулирует экспрессию генов, связанных с ремоделированием клеточной стенки, важного компонента клеточной оболочки. Было высказано предположение, что системы регуляции генов, в настоящее время связанные с другими формами клеточного стресса, также могут быть механочувствительными21, а недавний отчет предполагает, что ограничение усиливает передачу сигналов Rcs и последующую устойчивость к бактериофагу в E. coli22. Если механочувствительные механизмы участвуют в ремоделировании и гомеостазе клеточной оболочки, можно ожидать, что механический стресс и напряжение будут регулировать синтез компонентов клеточной оболочки.

50 MPa) causes changes to RNA synthesis and DNA replication and can cause cell death35; here we apply mild hydrostatic pressure of 0–100 kPa (a bacterium 10 m underwater experiences approximately 100 kPa hydrostatic pressure), in contrast a cell leaving a host gastrointestinal system and entering brackish water is expected to experience an increase in turgor pressure of 500 kPa. Hydrostatic pressure increases the compressive stresses perpendicular to the cell envelope. The magnitude of mechanical stresses caused by hydrostatic pressure are typically much smaller than the hoop and longitudinal stresses (oriented parallel to the cell envelope surface) generated by extrusion loading or compression, but under conditions of applied hydrostatic pressure can become noticeable. Hydrostatic pressure was applied to cells suspended in liquid media in a custom chamber connected to a microfluidic pump. After 2 h of incubation at room temperature, cells were removed and visualized. Average cell fluorescence increased 28% with increasing magnitude of applied compression force (Fig. 2E, left), supporting the idea that VxrAB signaling is also sensitive to hydrostatic pressure. Upon deleting the vxrB box in the promoter, cell fluorescence did not vary with applied hydrostatic pressure (Fig. 2E, right), confirming that the mechanosensitive increase in cell fluorescence for PmurJ:msfGFP cells required VxrB activation. As in the compression experiments, the PvxrAB:msfGFP reporter strain were consistent with the observations with PmurJ:msfGFP (Fig. 2F). The variance in fluorescence was greater than that seen in compression loading, a finding we attribute to the fact that mechanical stresses in the cell envelope are limited to radial compression and are not as well controlled (cell contact with the walls of the device and other cells is completely uncontrolled). As a result, the mechanosensitive response to hydrostatic pressure was dominated by a subset of cells (upper portion of cell population in Fig. 2E,F). We conclude that VxrAB signaling is responsive to diverse methods of applying mechanical load to the cell envelope./p> 0.80 µm) so the cells could flow freely through all of the feeder channels and would only get stuck in the narrow constriction of the tapered channels. The feeder channel etch depth was characterized using a profilometer (P-7, KLA Inc, Milpitas CA, USA). The profilometer tip was too wide to measure the tapered channels, so an atomic force microscopy high aspect ratio tip was used to measure the etch depth of tapered channels (Veeco Icon Bruker, Billerica MA, USA). Channel etch depth was 0.88 ± 0.03 µm. A scanning electron microscope (Zeiss Ultra 55 SEM microscope, Oberkocken Germany) was used to measure the tapered channel inlet width (1.48 ± 0.07 µm) and outlet width (0.35 ± 0.02 µm). The tapered channel inlet is wide enough that cells can enter, and the outlet is narrow enough to prevent cells from flowing out./p>